DE6806889U

DE6806889U - LIGHT ALLOY PISTON WITH A COPPER-BASED METAL ALLOY INSERT

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Publication number: DE6806889U
Application number: DE6806889U
Authority: DE
Original assignee: MONDIAL PISTON GALLI ERCOLE C
Current assignee: MONDIAL PISTON GALLI ERCOLE C
Priority date: 1968-01-09
Filing date: 1968-11-13
Publication date: 1969-04-07
Also published as: DE1808843A1; BE721475A; ES358692A1; FR1588982A; CH479003A; US3533329A; GB1197411A

Description

Augsbarg'-Gögg'ingen, den 13· 11 · I960Augsbarg'-Gögg'ingen, 13.11.1960

PATENTANV/SlTtPATENTANV / SlTt

DR. ING. E. LIEBAU Dr.Lb/R Az P 72dlDR. ING. E. LIEBAU Dr.Lb/R Az P 72dl

DIPL. ING. G. L I E B A U
»»02 AUGSIiURG-GUGGINGEN
V. UCHtNDOWf-STIl 10 · TEL»«» DIPL. ING. G. LIEBAU
»» 02 AUGSIiURG-GUGGINGEN
V. UCHtNDOWf-STIl 10 · TEL »« »

Mondial Piston - Dott.Galli Ercole & C s.p.a., Corso Bramante 47, TurinMondial Piston - Dott.Galli Ercole & C s.p.a., Corso Bramante 47, Turin

Kolben aus Lt Lchtnietallegierung mit Einsatz aus einer Metalllegierung auf KupferbasisPiston made of Lt Lchtnietal alloy with insert made of a metal alloy based on copper

Es ist bekannt, .ss aus Aluminiumlegierung hergestellte Kolben der Abnutzung, \ -j.·formung oder Riefenbildung in denjenigen Zonen unterliegen, die Konzentrierten Beanspruchungen ausgesetzt ? ind , urd derngemäss insbesondere an den Einsatzstellen für den Kolbenbolzen, am Kolbenkcpf und insbesondere in der Zone der Nut des dem Koloenkopf am nächsten liegenden Kolbenringes, wo durcn die Wirkung des Hämmerns dieses Kolbenringes eine Erweiterung der Nut auftritt, mit einer sich daraus ergebenden Verb^f;nlechceruag der Abdichtung.It is known that pistons made of aluminum alloy are subject to wear, shaping or scoring in those zones that are exposed to concentrated stresses? ind, urd accordingly in particular at the insertion points for the piston pin, on the piston head and in particular in the zone of the groove of the piston ring closest to the piston ring, where the effect of hammering this piston ring causes an enlargement of the groove, with a resulting verb ^f ; nlechceruag of waterproofing.

Um diese !ia^.r.re^I- zu vermeiden, rurde bereits vorgeschlagen, beim Guss der Kolben Zinsatzstücke aus Eisenmaterial,fGrauguss.In order to avoid this! Ia ^ .r.re ^ I- it has already been suggested that When casting the pistons, interest replacement pieces made of iron material, gray cast iron.

pezialij zählen) einzubauen, die die konzentrierten Kr kr te besser ausfeilten als die Leichtmetallegierung. Diese Einsatzstücke aus Ii -enTi^terialien weisen jedoch schwere Nachteile auf, dje darauf zurü::>.~ufünren sind, dass ein beträchtlicher Unterschied er Warme- -:-J3üe:.r.ung vornanden ist. sowie eine in keiner Weise zufrieden- -teller.de 7erscr.vjeissung zwischen dem Einsatzstück und dem Körpur, eine .:r:ss:- bru?h._gkeit der Zone, die von der Metallzusammensetzung Eiser. - Ie inium auf der Höhe der Trennflächen vorhanden ist und -.reiter..j η eine sonlecnte Wärmeleitfähigkeit des Eiseneinsatzstückes "-~~e:/j-er :e„', >': Ibenkörper aus Aluininiumlegierung. Ein weitererpezialij count) to incorporate, which the concentrated powers better refined as the light metal alloy. These inserts from Ii -enTi ^ materials have serious disadvantages, depending on them back ::>. ~ there is a considerable difference between the -: - J3üe: .r.ung is in front. as well as one in no way satisfied- -teller.de 7erscr.vjeissung between the insert and the body, a.: r: ss: - bru? h._gkeit the zone determined by the metal composition Iron. - Ie inium is present at the level of the dividing surfaces and -.reiter..j η a sonlecnte thermal conductivity of the iron insert piece "- ~~ e: / j-er: e" ',>': Iben body made of aluminum alloy. Another

schwerer Nachteil der Einsatzstücke aus Eisenmaterial liegt darin, dass sie jede spätere Wärmebehandlung des Kolbens verhindert, die das Ablösen des Einsatzstückes hervorrufen würde. Auch das Verfahren, das notwendig ist, um das Einsatzstück vor seinem Einbau beim Guss in dem Kolbenkörper vorzubereiten, ist verhältnismässig langwierig und schwierig und erfordert die Verwendung von Bädern einer Speziallegierung, die von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden muss, weil sie sich nach und nach immer mehr mit Eisen anreichern.serious disadvantage of the inserts made of iron material is that that it prevents any subsequent heat treatment of the piston which would cause the insert to become detached. Also the process that is necessary to prepare the insert before it is installed in the piston body during casting, is relatively tedious and difficult and requires the use of baths of a special alloy, which from time to time Time has to be exchanged because they gradually become more and more enriched with iron.

Ziel der Neuerung ist, Kolben herzustellen, die ein Einsatzstück von einer Wärmeausdehnung haben, die im wesentlichen identisch n.it der des Kolbenkörpers ist, aas am Körper in einer sehr wirksamen Weise durch eine Schicht einer Zwischenmetallegierung von einer Stärke angeschweisst ist, die verhältnismässig bedeutsam ist und günstige mechanische Eigenschaften hat, wobei das Einsatzstück ausserdem eine Wärmeleitfähigkeit hat, die ziemlich nahe oder sogar über der des Kolbenkörpers liegt, so dass keinerlei Behinderung des Wärmeflusses erfolgt, dass die Flusslinien nicht verfoimt werden und die Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Punkten de_ Kolbens auf ein Minimum verringert werden, wodurcn demge.näss die mittlere Temperatur und die Höchsttemperatur beschränke werden und jede beliebige Wärmebehandlung möglich ist. die für den Kolben erwünscht ist. Dieser Kolben kann mit einem praktischen, schnellen und industriell vorteilhaften Verfahren hergestellt werden, bei dem keine Spezialbäder für die Herstellung des Einsatzstückes erforderlich sind.The aim of the innovation is to produce pistons that have an insert with a thermal expansion that is essentially identical n.it that of the piston body, aas on the body in a very effective manner by a layer of an intermediate metal alloy of is welded to a thickness that is relatively significant and has favorable mechanical properties, the insert also has a thermal conductivity that is fairly close to or even above that of the piston body, so that no Obstruction of the heat flow takes place that the flow lines are not foamed and the temperature differences between the individual points of the piston are reduced to a minimum, resulting in the mean temperature and the maximum temperature and any heat treatment is possible. which is desired for the piston. This piston can with a practical, fast and industrially advantageous process, in which no special baths for the Production of the insert are required.

Die von der Neuerung vorgeschlagenen Mittel, um uiese Vorteile zu erreichen, bestehen in der Verwendung eines Einsatzstückes, das aus einer Kupferlegierung, insbesondere <jincr Aluminiumbronze besteht, die vorher ei-ier plastischen Bearbeitung unterzogen und vor dem Einfügen in die Qiessform in eine geschmolzene Aluminiumlegierung eingetaucht //ird, die vorteilhafterweise die gleiche sein kann, wie; sie für das Giessen des Kolbens verwendet wird, Die Zwr.scnenmetallegiGrung avf Kupferbasis, die auf diese Art undThe means proposed by the innovation to achieve these advantages to achieve, consist in the use of an insert made of a copper alloy, in particular <jincr aluminum bronze exists, which was previously subjected to plastic processing and in a molten aluminum alloy before being inserted into the mold immersed // ird which advantageously the same can be like; it is used for casting the piston, the Zwr.cnenmetallegiGrung avf copper base, which is based on this type and

ο* Q _ · ο * Q _ ·

Weise entsteht, weist genau die oben angegebenen Merkmale auf, und es wird dadurch möglich, die gewünschten günstigen Ergebnisse zu erzielen.Manner, has exactly the characteristics indicated above, and it thereby becomes possible to obtain the favorable results desired.

Weitere Merkmale und Vorteile der Neuerung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in der beigefügten schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.Further features and advantages of the innovation result from the following description of an embodiment shown in the accompanying schematic drawing.

Fig. 1 ist ein axialer Schnitt eines Kolbens, der in Anwendung der Neuerung hergestellt wurde, nach seiner mechanischen Bearbeitung, undFig. 1 is an axial section of a piston in use the innovation was made, after its mechanical processing, and

Fig. 2 zeigt im analogen Schnitt ein Einsatzstück vor seinem Einbringen in die Form.Fig. 2 shows in an analogous section an insert piece in front of his Introducing into the mold.

In den Zeichnungen wird auf die Herstellung eines Kolbens mit Einsatzstück bezug genommen, das die Nut für den ersten Kolbenring aufweist. Aber dieses nicht beschränkende Beispiel erläutert dem Fachmann die Anwendung der Neuerung auch im Falle von Einsatzstücken, die an anderer Stelle eingesetzt sind, beispielsweise um das .Kolbenbolzenlager oder am Kopf. Gemäss einem ersten Merkmal der Neuerung besteht das Einsatzstück 1, in diesem Falle in der Form eines Ringes aus einer Legierung auf Kupferbasis, insbesondere Aluminiumbronze, die vorteilhafterweise einen Kupferprozentsatz von 80 - 90$ od. dgl. aufweisen kann. Ausgezeichnete Ergebnisse wurden experimentell erzielt, indem für die Herstellung des Einsatzstückes Legierungen verwendet wurden, die Zusammensetzungen aufwiesen, die innerhalb der folgenden Grenzen lagen: Kupfer 75$ - 90$, Nickel 2% - 7fr, Mangan 0,5% - h%, Eisen 2% - 6%, Aluminium 7% -In the drawings, reference is made to the manufacture of an insert piston having the groove for the first piston ring. But this non-limiting example explains to a person skilled in the art the application of the innovation also in the case of inserts that are used elsewhere, for example around the piston pin bearing or on the head. According to a first feature of the innovation, the insert 1, in this case in the form of a ring, consists of a copper-based alloy, in particular aluminum bronze, which can advantageously have a copper percentage of 80-90 $ or the like. Excellent results have been obtained experimentally by using alloys for the manufacture of the insert having compositions which were within the following limits: copper $ 75- $ 90, nickel 2% -7fr, manganese 0.5% -h%, iron 2% - 6%, aluminum 7% -

Nach einem anderen Merkmal der Neuerung wird dieses Einsatzstück nicht durch einfaches Giessen hergestellt, sondern durch eine plastische Verarbeitung, die dem Material ganz oescnders vorteilhafte mechanische Merkmale verleiht. Bei dem dargestelltem Beispiel eines ringförmigen Einsatzstückes kann dieses beispielsweise hergestellt werden, indem ein Massel des gewählten Metalls geschmolzen, ein Rohr stranggepresst und di3ses Rohr in Elemente angemessener Länge unterteilt wird, wonach die genannten Elemen-According to another feature of the innovation, this insert piece is not produced by simple casting, but by a plastic processing, which is quite often advantageous to the material gives mechanical characteristics. In the illustrated example of an annular insert piece, this can, for example Manufactured by melting an ingot of the chosen metal, extruding a tube and turning this tube into elements appropriate length is subdivided, according to which the named elements

te in die endgültige dargestellte Form verpreßt werden.te are pressed into the final shape shown.

Bei der Durchführung des Herstellungsverfahrens wird das so vorbereitete Einsatzstück in πin Bad geschmolzener Legierung getaucht, die aus der gleichen Legierung bestehen kann, ie für das Gießen d^s Kolbens verwendet wurde. Das Eintauchen kann sogar vorteilhafterweise in d?m gleichen ochmelztiegel erfolgen, aus dem die für den Guß geschmolzene Legierung vergossen wird. Das Eintauchen erfordert einen beschränkten Zeitraum in der Größencidnung von ungefähr 20 Sekunden, infolge des wiederholten Eintauchens von Ein. atzstücl'en reichert sich das Legierungsbad an r.upftr an, was jedoch seine Merkmale nicht schädigt und außerdem wird ja dieses Bad, da es die Legierung für das Gießer, der Kolben darstellt, schnell verbraucht ui :i immer wieder¹ aufgefüllt, weswegen das Anreichern an Kupfer eine bestimmte Iren .e nicht übersteigt und sogar die Anreicherung selbst, wenn das :'"r vorteilhaft angesehen wird, vollständig ausgeglichen werden kann, indem das Auffüllen des Bades rr.it einer Legierur.£ erfolgt, die etwas ärmer an Kupfer ist als die Le -ierung, wie ei■": für das Gießen des Kolbens vorgesehen ist.When carrying out the manufacturing process, the insert piece prepared in this way is immersed in a bath of molten alloy, which can consist of the same alloy that was used for casting the piston. The immersion can even advantageously take place in the same melting crucible from which the alloy melted for the casting is poured. The immersion requires a limited period of time, on the order of about 20 seconds, due to the repeated immersion of the immersion. atzstücl'en, the alloy bath is enriched at r.upftr, but this does not damage its characteristics and, in addition, this bath, since it is the alloy for the caster, the piston, is quickly used up ui: i always ^{refilled 1} , which is why that Enrichment in copper does not exceed a certain value, and even the enrichment itself, if this is considered advantageous, can be completely compensated for by filling the bath with an alloy which is somewhat poorer in copper is as the Le -ierung, as ei ■ ": is intended for the casting of the piston.

Das Einsatzstück 1, das aus dur vorhergehender Eintauchung i,i das Bad kommt, wird in die Gießform eingesetzt und der Kolben 2 wird eingegossen, aer so das Einsatzstück umgibt. Während des Gießens und der Verhärtung erfolgt eine beträchtliche Cberflächenauflösung des Ein.'atcstückes durch die Masse der Aluminiurrlegierurj, die den Kolben darstellt, unter Bildung einer Kupfer-Aluir.iniumschicht beträchtlicher Stärke (beispielsweise einige Zehntel mm), deren Zusammensetzung nach unu na υ. von einem Höchstgehalt r 13 tu einem Ivindestgehalt an Kupf ei· se ;ankt und in bestmöglicher Weise das Einsatzstück in der Masse des Kolbens verbindet. Nach dem Ausformen w:i ra dor KoI-ben mit seinem Einsatzstück in einrr .solchen Art und Weise bearbeitet, daß im Einsatzstück 1 (im Falle des dargestellten Peispieles) aer Kolbenringr.it.2 3 für den ersten Kolbenring hergestellt "ird. Während dieser mechanircnen Bearbeitung machtThe insert 1, the result of previous immersion i, i the bath comes, is inserted into the casting mold and the piston 2 is poured in so that the insert surrounds it. During casting and hardening, the surface of the insert dissolves considerably through the mass the aluminum alloy, which represents the piston, under formation a copper-aluminum layer of considerable thickness (for example a few tenths of a mm), the composition of which according to unu na υ. from a maximum level of r 13 to a minimum level of copper se; ankt and in the best possible way the insert in the Mass of the piston connects. After shaping w: i ra dor KoI-ben processed with its insert piece in such a way, that in the insert 1 (in the case of the illustrated example) aer piston ringr.it.2 3 produced for the first piston ring "ird. During this mechanical processing

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sich der Vorteil bemerkbar, dass das Einsatzstück aus Legierung auf Kupferbasis bestmögliche Bearbeitungseigenschaften aufweist. Ausserdem kann der Kolben Wärmebehandlungen unterzogen werden, (Hurten, Glühen od dgl.) wodurch die Eigenschaften verbessert werden, ohne irgendeine Gefahr des Lösens des Einsatzstückes oder anderer beliebiger Nachteile.the advantage that the copper-based alloy insert has the best possible machining properties is noticeable. In addition, the piston can be subjected to heat treatments (hardening, annealing or the like), which improves the properties without any risk of bit loosening or any other disadvantage.

Indem die Zusammensetzung der für das Einsatzstück verwendeten Legierung auf Kupferbasis in geeigneter Weise gewählt wird, ist es möglich, die Wärmeausdehnungsfähigkeit der den Kolben darstellenden Legierung mit bester Genauigkeit anzunähern. Ausserdem ist die Wärmeleitfähigkeit des Einsatzstückes und der es umgebenden Zwischenmetall-Legic'-u,ν _t.\he an der oder höher als die der Legierung des Kolbens, wodurch demgemäss jegliche Behinderung oder Störung der Wärmeübertragung vermieden wird.By properly selecting the composition of the copper-based alloy used for the insert, it is possible to approximate the thermal expandability of the alloy constituting the piston with the best possible accuracy. In addition, the thermal conductivity of the insert and the surrounding intermediate metal Legic'-u, ν _t . \ He is at or higher than that of the alloy of the piston, whereby any hindrance or disturbance of the heat transfer is accordingly avoided.

Die geeignete Wahl von Beigaben besonderer Metalle zu der das Einsatzstück bildenden Legierung auf Kupferbasis, wie sie von der bekannten metallurgischen Technik gelehrt wird, gestattet es, ihr Merkmale hoher Härte, mechanische Widerstandsfähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen die Abnutzung im heissen Zustand zu verleihen, d.h. unter Betriebsbedingungen.The appropriate choice of additions of particular metals to the copper-based alloy forming the insert, as disclosed by the known metallurgical technique, allows its characteristics of high hardness, mechanical resistance and to impart resistance to wear and tear when hot, i.e. under operating conditions.

Es ist selbstverständlich, dass die Neuerung für die Herstellung von Kolben jeder Art, Type oder Form verwendet werden kann, die für Kompressoren und insbesondere Verbrennungsmotoren bestimmt sind, und insbesondere können die Einsatzstücke an jedem beliebigen Teil des Kolbens angebracht werden, und gegebenenfalls können in jedem Kolben zwei oder mehr Einsatzstücke vorhanden sein.It goes without saying that the innovation can be used for the production of pistons of any kind, type or shape, which are intended for compressors and in particular internal combustion engines, and in particular the inserts can be on any any part of the piston can be attached, and optionally two or more inserts can be present in each piston be.

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Claims

Protection claims

1.) Piston made of light metal alloy with at least one insert made of another metal, characterized that the insert consists of a metal alloy based on copper.

2.) Piston according to claim 1, characterized gekenrzeich-

n e t that said insert piece has the metallographic structure has, as it results from a previous plastic processing, (extrusion, pressing or the like.) With the related mechanical characteristics.

3.) Piston according to claim 1, characterized in that that the transition zone between the insert and the piston body is a relatively significant layer in the In the order of a few tenths of a mm an intermediate metal alloy based on copper and aluminum is taken up with a gradually changing composition that is a connection between the parts.

4.) Piston according to claim 1, characterized in that That is, the body of the piston, the insert, and the transition intermetallic alloy have very closely approximated thermal conductivities exhibit.

5 ·) Piston according to claim 1, characterized in that g e k e η η, ζ e i c hn e t that the copper-based material that constitutes the insert contains such additives that a high hardness, mechanical resistance and resistance to wear and tear under operating conditions is conferred.

6.) Piston according to claim 5, characterized in that that the material from which the insert is made.

-D-

has a composition roughly indicated as follows can be:

Copper 75% - ⁽ Jo $>

Nickel 2 # - 7%

Manganese 0> 5 ^ - ^%

Iron 2? O - b _{/ 0}

Aluminum 1% - 15 / ^ώ